CN106414914A - 储存和恢复能量的方法与设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于储存和恢复能量的方法，根据该方法，在能量储存期间形成空气液化产物(LAIR)，并且在能量恢复期间，通过使用至少部分空气液化产物(LAIR)形成加压流并且膨胀产生能量，而无需来自外部热源的热量供应。所述方法特别包括：为形成空气液化产物(LAIR)，在空调单元(10)中至少通过绝热运行的压缩机装置(12)将空气压缩(AIR)，在所述绝热运行的压缩机装置(12)下游形成第一子流和第二子流，所述子流从该压缩机装置中压缩的空气(AIR)形成，并且将所述第一子流和第二子流平行传送通过第一储热装置(131)和第二储热装置(132)，在其中将在空气压缩(AIR)期间产生的热量至少部分地储存。为了形成加压流，从至少部分液化产物(LAIR)制备汽化产物(HPAIR)，在产生能量的膨胀过程中，将加压流传送通过第一膨胀装置(61)和第二膨胀装置(62)，并且从而分别在各个装置中将所述加压流膨胀。在第一膨胀装置(61)的上游，将储存在第一储热装置(131)中的热量传递给加压流，并且在第二膨胀装置(62)的上游，将储存在第二储热装置(132)中的热量传递给加压流。本发明还涉及设备(100)。

Description

储存和恢复能量的方法与设备
本发明涉及根据独立权利要求的相应前序部分的用于储存和恢复能量特别是电能的方法与设备。
背景技术
从例如DE 31 39 567 A1和EP 1 989 400 A1已知液态空气或液氮(即低温空气液化产物)在电网控制和在电力网中提供控制能力中的用途。
在电力便宜的时候，或者在存在剩余电力的时候，空气在具有集成液化器的空气分离设备中或者在专用液化设备(通常也称为空气处理单元)中被完全或部分液化，以形成空气液化产物。空气液化产物储存在包括低温罐的罐系统中。这种运行模式在本文中称为能量储存期的期间发生。
在峰值负载的时候，空气液化产物从罐系统中移除，通过泵增加压力，并且将其加热至大约环境温度或更高，并且由此转变成气态或超临界状态。由此获得的加压流在膨胀涡轮机或具有中间加热的多个膨胀涡轮机中的能量产生单元内膨胀至环境压力。由此释放的机械能在能量产生单元的一个或多个发电机中转变成电能，并且供应到电网中。这种运行模式在本文中称为能量恢复期的期间发生。
在能量恢复期内在液化产物转变成气态或超临界状态期间释放的冷量可以被储存并且在能量储存期间用于提供冷量，以获得空气液化产物。
还存在已知的压缩空气储存发电设备，然而其中空气不被液化，而是在压缩机中压缩并储存在地下洞穴中。在对功率的需求高时，压缩空气被导出洞穴，进入燃气轮机的燃烧室。与此同时，诸如天然气的燃料通过气体管线被供应给燃气轮机，并且在由压缩空气形成的气氛中燃烧。所形成的废气在燃气轮机内膨胀，由此产生能量。
本发明可以区别于其中将富氧液体引入燃气轮机以辅助氧化反应的方法和装置。相应的方法和装置原则上使用含有(显著地)大于40摩尔％的氧的空气液化产物来运行。
相应方法和装置的成本效益强烈地受到总体效率的影响。因此，本发明基于在这方面改进相应的方法和装置的目的。
发明内容
在此背景下，本发明提出用于储存和恢复能量(特别是电能)的方法和设备，其具有相应的独立权利要求的特征。优选的改进分别是从属权利要求和下文的说明书的主题。
在说明在本发明的上下文中可实现的优点之前，更具体地说明其基础技术原理以及本申请中使用的一些术语。
在此，“能量产生单元”被理解为是指设计用于产生电能的设备或设备部分。在本发明的上下文中，能量产生单元包括至少两个膨胀涡轮机，其有利地与至少一个发电机连接。与至少一个发电机连接的膨胀机器也称为“发电机涡轮机”。在膨胀涡轮机或发电机涡轮机中流体膨胀期间释放的机械能可以在能量产生单元内转化成电能。
“膨胀涡轮机”被设计用于超临界、气态或至少部分液态流的膨胀，其可以通过公共轴连接到另外的膨胀涡轮机或能量转换器，例如油压制动器、发电机或压缩机级。特别地，为了在本发明中使用，膨胀涡轮机可以被设计成透平膨胀机。如果被设计成透平膨胀机的一个或多个膨胀涡轮机仅连接到一个或多个压缩机级(例如以径向压缩机级的形式)，并且可能被机械制动，但是后者在无外部供应能量的情况下运行，例如借助于电动机，术语“增压涡轮机”通常也用于此。这种增压涡轮机通过至少一个其他流的膨胀而压缩至少一个流，但是没有外部供应的能量，例如通过电动机。
在本申请的上下文中，“燃气轮机单元”被理解为是指包括至少一个燃烧室以及布置在其下游的至少一个膨胀涡轮机的装置(狭义上的燃气轮机)。在膨胀涡轮机中，来自燃烧室的热气体膨胀做功。燃气轮机单元还具有至少一个压缩机级，其由膨胀涡轮机通过公共轴驱动(通常为至少一个轴向压缩级)。在膨胀涡轮机中产生的一部分机械能通常用于驱动至少一个压缩机级。另一部分通常在发电机内转化以产生电能。因此，燃气轮机的膨胀涡轮机是在上文说明意义上的发电机涡轮机。
作为燃气轮机单元的修改，“燃烧涡轮机单元”仅具有所述的燃烧室和下游的膨胀涡轮机。通常不提供压缩机。与燃气轮机单元相比，“热燃气轮机单元”具有加热器而非燃烧室。热燃气轮机单元可以与加热器和膨胀涡轮机在一个级中形成。可替代地，也可以提供多个膨胀涡轮机，优选地具有中间加热。在任何情况下，可以布置另外的加热器，特别是在“最后”的膨胀涡轮机的下游。优选地，热燃气轮机还连接到用于产生电能的一个或多个发电机。
在本发明的上下文中，因为在能量恢复期间没有使用来自外部源的热来形成加压流，所以在此不使用燃气轮机单元或燃烧涡轮机单元，而是至多使用热燃气轮机单元，其通过合适的储热器加热。
“压缩机装置”在此被理解为是指被设计用于将至少一股气流从至少一个输入压力(在该压力下供应进压缩机装置)压缩到至少一个最终压力(在该压力下从压缩机装置中移除)的装置。在这种情况下，压缩机装置形成结构单元，然而其可以包括采用已知的活塞、螺杆和/或斗轮或涡轮设置(亦即径向或轴向的压缩机级)形式的多个单独的“压缩机”或“压缩机级”。特别地，这些压缩机级通过公共驱动器驱动，例如通过公共轴或公共电动机。许多压缩机，例如根据本发明使用的空调单元中的压缩机，可以一起形成一个或多个压缩机装置。
在此使用的术语中，“空调单元”包括至少一个绝热运行的压缩机装置与至少一个吸附性空气纯化装置。吸附性空气纯化装置通常是在空气分离领域中已知的。在吸附性空气纯化装置中，引导一股或多股空气流通过一个或多个吸附剂容器，其填充有合适的吸附材料，例如分子筛。
本发明至少包括空气的液化，以形成空气液化产物。用于此目的的装置在此也可以归入术语“空气处理单元”。在本申请的术语中，这被理解为是指设计用于从空气获得至少一种空气液化产物的设备。对于在本发明中使用的空气处理单元，只要它可以用于获得用作储存液体并且可输送到罐系统中的相应的低温空气液化产物，这就足够了。“空气分离设备”装有大气压空气，并且具有用于将大气压空气分离成其物理组分的蒸馏塔系统，特别是分离成氮气和氧气。为此，首先将空气冷却至接近其露点，然后引入蒸馏塔系统。与此相比，“空气液化设备”不包括蒸馏塔系统。否则，其结构与传送空气液化产物的空气分离设备的结构相对应。不言而喻，液态空气也可以作为空气分离设备中的副产物产生。
“空气液化产物”是可以至少通过压缩、冷却和随后使低温液体形式的空气膨胀而产生的任何产物。具体地，空气液化产物可以是液态空气、液氧、液氮和/或液态惰性气体，例如液氩。术语“液氧”和“液氮”在此也分别指低温液体，其包含的氧或氮的含量高于大气压空气中的含量。因此，它们不一定必须是具有高含量的氧或氮的纯液体。因此，液氮被理解为是指纯的或基本上纯的氮，以及氮含量高于大气压空气的液化气体的混合物。例如，其具有至少90摩尔％，优选至少99摩尔％的氮含量。
当在此提及“汽化产物”时，这应当被理解为是指通过将液体转化为气态或超临界状态而形成的流体。如果超临界压力下的液体被“汽化”，则其不会进入气相，而是进入超临界状态，不发生实际意义上的相变。这也被称为“伪汽化”。在亚临界压力下，发生从液态到气态的相变，也就是说传统的“汽化”。因此，在本申请的上下文中，汽化包括汽化和伪汽化。在液化之后，无论是从气态还是从超临界状态，总是获得液体。因此，两种情况都被术语“液化”所涵盖。
“低温”液体或相应的流体、空气液化产物、流等应当被理解为是指液体介质，其沸点显著低于相应的环境温度，并且例如是200K或更低，特别是220K或更低。实例是液态空气、液氧、液氮等。
在本申请的上下文中，“固定床储冷单元”被理解为是指含有适于储存冷量的固体材料的装置和通过该材料传导流体的装置。已知的固定床储冷单元，其在传统的空气分离设备中也被称为再生器并且在那里用于分离掉不期望的组分，例如水和/或二氧化碳，包括例如具有通道的混凝土块(在空气分离设备的情况下罕见)、(石料)填充物和/或波纹铝板，并且分别沿相反方向并且一股接一股地被待冷却或加热的流流过它。在本申请的上下文中，术语“储冷器”或“(固定床)储冷单元”与“储热器”或“储热单元”不同，用于表示运行温度的差异。在本发明的上下文中，固定床储冷单元用于将压缩并且吸附纯化的空气液化，以形成空气液化产物，并且用于其汽化，因此在至少一个区域内在非常低的温度下运行。与此对比，在本发明的上下文中使用的储热装置总是在显著更高的温度下运行，并且用于储存在空气绝热压缩中产生的(压缩)热。
储冷或储热单元包括具有相应的储冷或储热介质的一个或多个储冷或储热器。可以在一个或多个储冷或储热器中使用的储冷或储热介质取决于工艺的配置。
在相关专业文献(例如参见I.Dincer和M.A.Rosen“Thermal Energy Storage-Systems and Applications(热能储存：系统与应用)”，Chichester，John Wiley&Sons2002)中，广泛描述了储热器和(固定床)储冷器。适合作为储存介质的是：例如岩石、混凝土、砖、人工生产的陶瓷或铸铁。还适合于较低储存温度的是土壤、砂砾、沙子或碎石。其他的储存介质，例如热油或熔融盐，是从例如太阳能技术领域已知的。在相应的储冷器中，可以证明特别有利的是在绝缘容器中提供储存介质，其使得无损耗或基本上无损耗的储热或储冷成为可能。
特别地，“逆流换热器单元”通过使用一个或多个逆流换热器形成，例如一个或多个板式换热器。与固定床储冷单元相比，逆流换热器单元中的冷却不通过固定床耗散热或吸收热来进行，而是间接地通过逆流的热或冷传递介质耗散或吸收热。所有已知的换热器，例如板式换热器、管式换热器等，适合在本发明中用作逆流换热器单元中的换热器。逆流换热器单元用于在彼此逆向流动的至少两股流之间的间接热传递，例如温热的压缩空气流与一股或多股冷流，或低温空气液化产物与一股或多股暖流。逆流换热器单元可以单个换热器部分或由并联和/或串联连接的多个换热器部分形成，例如一个或多个板式换热器单元。当在下文中提及“换热器”时，这可以被理解为是指逆流换热器或其他换热器。
在本发明的上下文中使用的储热单元还可以包括逆流换热器，其中，例如合适的储热流体(例如所提到的热油)相对于待加热或待冷却的流逆流地流过。在此形成储热介质的储热流体例如能够以双重或多重罐布置提供，正如在下文中更具体地说明的。
在本申请的上下文中，“加热器”被理解为是指用于加热流体和待加热的气态流体之间的间接热交换的系统。通过这种加热器，残余热、废热、工艺热、太阳能热等可以被传递到待加热的气态流体，并且用于在热燃气轮机中产生能量。
用于空气的低温分离的方法和装置以及可以在那里以及在本发明的上下文中使用的方法和装置也描述在例如H.-W.(编辑),“Industrial Gases Processing(工业气体处理)”,Weinheim,Wiley-VCH 2008(特别是第2.2.5章,“Cryogenic Rectification(低温精馏)”)以及Kerry,F.G.,“Industrial Gas Handbook-Gas Separation andPurification(工业气体手册：气体分离及纯化)”,Boca Raton,CRC Press 2006(特别是第3章，“Air Separation Technology(空气分离技术)”)中。
为了表征压力和温度，本申请使用术语“压力水平”和“温度水平”，旨在指示，为了实现本发明的构思，相应设备中的压力和温度不必以精确的压力和温度值的形式使用。然而，这样的压力和温度通常在一定范围内，例如在平均值周围的±1％、±5％、±10％、±20％或甚至±50％。在这种情况下，相应的压力水平和温度水平可以在分离的范围或者彼此重叠的范围内。特别地，例如，压力水平包括不可避免的压力损失或可能的压力损失，例如由于冷却效应或线路损耗。这同样适用于温度水平。这里以bara表示的压力水平是以bar(巴)为单位的绝对压力。
发明优点
本发明提出了用于储存和恢复能量的方法，其中在能量储存期内形成空气液化产物，并且在能量恢复期内，通过使用至少部分空气液化产物形成加压流并且膨胀做功，而无需来自外部热源的热量供应。
因此，根据本发明，没有额外的热量被引入到用于形成加压流的工艺或相应的设备中，因此例如不发生电加热或燃烧。仅通过使用在工艺本身中形成的热量进行加热，正如下文详细说明的。
正如已经提及的，在本申请的上下文中，空气液化产物被理解为是指可以通过压缩和低温冷却空气而产生的液态的任何期望的产物。下文具体参照作为空气液化产物的液态空气描述本发明，但是本发明也适用于其他空气液化产物，特别是含氧空气液化产物。与本文开始提到的方法和装置相比，在其中富氧流体被引入燃气轮机中以协助氧化反应的情况下，具有(显著地)低于40、35或30摩尔％氧气的含氧空气液化产物，例如具有自然空气的氧气含量，有利地用于本发明。因此不需要空气液化产物的蒸馏分离。
在本文开始已经说明了术语“能量储存期”和“能量恢复期”。它们被理解为特别是指彼此不重叠的时期。这意味着，下文所述的用于能量储存期的措施通常不在能量恢复期内执行，反之亦然。然而，还可以设想，例如为了确保在相应的设备运行中更强的连续性，例如执行描述为能量储存期的一些措施，同时作为在另一时间段描述为能量恢复期的措施。例如，加压流也可以被供应给能量产生单元，并且在能量储存期内在该单元内膨胀做功，例如为了能够连续地运行在此使用的膨胀装置。能量储存期和能量恢复期分别对应于相应设备或相应方法的运行模式或工艺模式。
为了形成空气液化产物，本发明包括至少通过绝热运行的压缩机装置在空调单元内以超大气压力水平压缩空气，以及通过至少一个吸附纯化装置吸附纯化空气。下文说明绝热压缩的细节。具体地，在能量恢复期间用于加热加压流的热量可以通过绝热压缩提供。
同样，如下文详细说明的，在绝热运行的压缩机装置下游的空调单元中，从在压缩机装置内压缩的空气形成第一子流和第二子流。平行地引导所述子流通过第一储热装置和第二储热装置。以这种方式，在空气压缩期间产生的热量至少部分地储存在第一储热装置和第二储热装置中，并且可用于随后的加热。
在空调单元的下游并且可能在压缩机装置内的进一步(例如等温)压缩之后，在固定床储冷单元中的第一部分中和在逆流换热器单元中的第二部分中，压缩并吸附纯化的空气在40-100bara范围内的液化压力水平下被液化，开始的温度水平范围是0-50℃。然后，液化空气在至少一个产冷单元中膨胀。
在本发明的上下文中，为了形成加压流，在与液化压力水平偏差不超过5bar的汽化压力水平下，在固定床储冷单元内从液化产物的至少一部分产生汽化产物。液化产物可以直接或者在其他影响压力和/或温度的措施之后用作加压流。为了形成加压流，汽化产物也可以例如分成两股或更多股流，其中一股流用作加压流和/或为此目的，汽化产物可以与一股或多股其他流组合。
还设想在做功膨胀期间通过第一膨胀装置和第二膨胀装置传送加压流，从而分别膨胀加压流，并且在第一膨胀装置的上游，将第一储热装置中储存的热输送到加压流，并且在第二膨胀装置的上游，将第二储热装置中储存的热输送到加压流。
除了明确提及的第一和第二膨胀装置之外，还可以提供另外的膨胀装置；因此膨胀可以至少在两级内进行，但也可以例如在三级或更多级内进行。然而，如果仅精确地使用两个膨胀装置用于加压流的做功膨胀，并且在空调装置中仅精确地使用两个压缩装置，则可以获得特别的优点。以这种方式，相比于技术上类似的可能使用用于加压流的做功膨胀的三个或更多个膨胀装置以及在空调装置内三个或者更多个压缩装置，相应的设备能够以明显更简单和成本更低的形式实现。
在能量恢复期间，加压流的两级或多级膨胀是有利的，因为待膨胀的加压流处于通常大于40bara的高压力水平，特别是处于超临界状态。因此，在单个机器中实现从该高压力水平到大约环境压力的膨胀在技术上颇具挑战性。此外，在膨胀期间，加压流的冷却与膨胀期间实现的压力差成比例。然而，应该避免来自膨胀装置或分别使用的多个膨胀装置的出口处的负温度。根据本发明，这个问题可以通过在相应多个膨胀装置的上游加热来解决。
在根据本发明使用的空调单元中，通常使用两个或更多个压缩机装置。原则上，在这种情况下，使用两个相继的绝热运行的压缩机装置将是有利的，即其中压缩空气具有比待压缩的空气显著更高的温度的压缩机装置。然后，在每种情况下产生的热量可以分别储存在储热装置中，并且一方面输送到第一膨胀装置上游的加压流，另一方面输送到第二膨胀装置上游的加压流。
然而，这种“两种热量”的产生遭遇技术困难，因为可以绝热运行的压缩机装置通常不可用于完全在根据本发明使用的空调单元中产生的压力水平，而是仅用于从大气压开始产生小于20bara的压力水平。这通常涉及例如也用于燃气轮机的压缩级的部件。对于较高的压力水平，例如对于从10-20bara至40-60bara的压缩，没有可绝热运行的压缩机。用于相应高压的压缩机被设计用于(准)等温运行，从而使得在此不能获得足够的热量。
因此，根据本发明的方法包括在绝热运行的压缩机装置下游的空调单元中，从该压缩机装置内压缩的空气形成第一子流和第二子流，并且第一子流和第二子流平行地传送穿过第一储热装置和第二储热装置。子流的“平行”传送不一定必须包括将压缩空气分成具有相同体积流量的子流。相反，也可以“非对称地”分配空气，例如在一个储热装置中储存更大量的热量，并且为加压流的加热提供更大量的热量。分配也可以基于适当的控制来进行，例如基于已经储存在相应的储热装置中的热量。在任何情况下，使用第一和第二储热装置具有产生两个单独热源的效果，其在两个膨胀装置的上游可用于在能量恢复期间加热加压流。
除了压缩空气的分配和通过储热装置的平行传送之外，原则上也可以在能量储存期的第一子周期内在第一储热装置中储存热量，并且在第二子周期内在第二储热装置中储存热量。
在这种情况下，所提到的绝热运行的压缩机装置有利地是空调单元中的至少两个压缩机装置之一，其在例如20bara或更低的相应的低压水平下运行，或者将空气从大气压力压缩到相应的低压力水平。例如，该压缩机装置是串联布置的一系列压缩机装置中的第一个。
因此，本发明的重要方面也是使用绝热运行的“提供热量”的压缩机装置。另一方面，一个或多个另外的压缩机装置，特别是用于较高压力水平的压缩机装置可以等温运行。总之，通过本发明可以减少硬件部件的数量，这导致在成本和维护方面的更低的费用，并且使得设备在整体上更容易运行。
如上所述，在本发明的上下文中，设想在能量储存模式和能量恢复模式下以在40-100bara范围内的相同或相似的压力水平(液化压力水平和汽化压力水平)运行固定床储冷器。结果避免了固定床储存器内的压力波动，并且其机械稳定性增加，或者其机械强度的要求显著降低。在这种情况下，为了形成空气液化产物，将至少一个空调单元内的空气压缩到相应的压力水平，其可以是亚临界或超临界压力。因此，在固定床储冷单元和逆流换热器单元中，相应的高压空气流可以从超临界状态(无经典相变)或亚临界状态转化为液态。两种转化在此被归入术语“液化”。相应地，这同样也适用于已经说明的通过“汽化”形成汽化产物。
如上所述，在本发明的上下文中，还设想在0-50℃的温度水平下将压缩并吸附纯化的空气的第一部分和第二部分供应入固定床储冷单元和逆流换热器单元。供应有利地在环境温度下进行，这使得特别有利的固定床储冷单元的运行成为可能。
这可以特别地通过绝热运行的压缩机装置下游的空调单元中正在使用的其他等温运行的压缩机单元来实现。对比于绝热运行的压缩机，在绝热运行的压缩机情况下压缩产物具有比供应给压缩机装置中的流明显更高的温度，等温运行的压缩机装置可以具有在上述意义上的一个或多个压缩机级或压缩机，其特征在于，送入它的压缩流和从其取出的压缩流具有基本相同的温度水平。例如，等温运行的压缩机装置具有中间冷却器和后冷却器。
因为在本发明的上下文中，在固定床储冷单元和逆流换热器单元中的能量储存期间液化的空气在产冷单元中膨胀，所以可以提供额外的冷量，例如补偿例如在用于接收空气液化产物的储罐中的相应设备中的冷量损失。在膨胀期间形成的汽化产物也可以用作再生气体，如下所述。
因此，在根据本发明的方法的上下文中，除了至少一个所述的绝热运行的压缩机装置之外，至少一个等温运行的压缩机装置也有利地用于空调单元中。
此外，同样如上所述，在根据本发明的方法的上下文中，使用具有在超大气压力水平下运行的至少一个吸附纯化装置的空调单元。如上所述，在本发明的上下文中使用的空调单元使用多个压力级来压缩供应的空气。可以在这些压力级中的任何一个上使用或提供吸附纯化装置。例如，由空调单元提供的处于最终压力水平的纯化装置可以被制备成具有特别小的尺寸，因为由于压缩，需要纯化较少的空气质量。在本发明的上下文中，吸附纯化装置可以包括一个或多个吸附纯化容器，如在附图说明的上下文中更具体地说明的。
在根据本发明的方法的特别有利的改进中，在至少一个储热装置中使用固定床储热介质和/或液体储热介质。已经在上文说明在此可以使用的储存介质。固定床储热介质的使用具有特别简单和低成本实现的优点；然而，液体储热介质可能具有更好的热容量。本发明还可以包括在一个或两个储热装置中的固定床储热介质和液体储热介质的组合。例如，如上所述，如果相应的空气流在储热装置之间“不对称”地分配，则在储热装置之一中使用固定床储热介质，并且在另一个内使用液体储热介质。任何所需的组合都是可能的。
根据本发明的方法的有利改进，储热流体可以在至少一个储热装置中的至少两个储罐之间输送，并且在至少一个逆流换热器中，向或者从至少一种储热流体传递热量。以这种方式，可用的热量不仅可以传递给静态地提供的保持能力当然有限的储热介质，而且可以传递给更大量的相应的传热介质。因此，可以显著提高所提供的热量的保持能力。
如上所述，在本发明的上下文中，储热装置在比固定床储冷装置高得多的温度下运行。特别地，在能量储存期间，相应的储热介质在至少储热装置之一内加热到50-400℃的温度水平。
在根据本发明的方法中，发电机涡轮机有利地分别用作第一膨胀装置和第二膨胀装置。如上所述，发电机涡轮机在此被理解为是指连接到发电机的任何膨胀机器。发电机涡轮机的使用允许以电力的形式灵活地恢复能量。原则上，本发明还可以包括使用用于恢复能量的其他措施，例如通过膨胀机器或与其连接的泵填充的液压蓄能器的运行。
根据本发明的方法还可以包括在第一和第二膨胀装置中做功膨胀之前至少(又)一次加热、膨胀和/或压缩流体流。例如，至少部分汽化产物也可以最初被传送通过换热器并且已经在其中加热。
有利地，在再生阶段中，向至少一个吸附纯化装置供应再生气体，其由在空调单元中预先压缩并吸附纯化的空气的一部分形成。在其使用之前，有利地加热相应的再生气体，正如下文进一步说明的。如果仅存在一个纯化容器，只要是在不需要由纯化装置提供纯化能力的时候，例如在能量恢复期内，则可以进行吸附纯化装置的再生阶段。如果存在多个可交替运行的纯化容器，则它们可以独立于地在相应的可应用期间再生。
再生气体可以在能量储存期内由在液化空气膨胀期间形成的汽化产物的至少一部分形成，或者在能量恢复期内由至少部分汽化产物形成。
有利地，在液化空气膨胀期间形成的汽化产物被引导通过逆流换热器单元并由此被加热。在这种情况下，汽化产物用于冷却通过逆流换热器单元传送的在空调单元中被压缩并吸附纯化的空气的第二部分。因此，可以有利地使用相应的冷量。
有利地，在根据本发明的方法的上下文中，通过外部冷却回路提供的和/或在空调单元中预先压缩并吸附纯化的空气的一部分膨胀形成的至少一种冷量传递介质传送通过逆流换热器单元。在后一种情况下，比形成空气液化产物及其储存所需的更大量的空气可以例如通过空调单元压缩并吸附纯化。相应的“剩余”空气可能在逆流换热器单元中被冷却到中间温度，并且随后膨胀以提供冷量，并且通过逆流换热器单元从冷端被传送到热端。以这种方式，可以在没有附加装置的情况下满足要求的冷量需求。另一方面，使用外部冷回路使得可以完全独立地提供冷量。
设计用于储存和恢复能量的设备同样是本发明的主题，其通过在能量储存期中形成空气液化产物并且通过在能量恢复期内使用空气液化产物的至少一部分而无需从外部热源供应热量来形成加压流并膨胀做功。
该设备具有设计用于如下的装置：为了形成空气液化产物而至少通过绝热运行的压缩机装置在空调单元中压缩空气，并且通过至少一个吸附纯化装置在超大气压力水平下吸附纯化空气，在绝热运行的压缩机装置的下游的空调单元内，将从压缩机装置中压缩的空气形成第一子流和第二子流，并且将第一和第二子流平行地输送通过第一储热装置和第二储热装置，将在压缩空气期间产生的热量至少部分地储存在第一储热装置和第二储热装置中，在固定床储冷单元的第一部分中和在逆流换热器单元的第二部分中，在0-50℃范围内的温度水平开始，在40-100bara范围内的液化压力水平下将压缩并吸附纯化的空气液化，并且随后在至少一个产冷单元中膨胀所述液化空气。
所述装置还被设计用于如下：为了形成加压流，在与液化压力水平偏离不超过5bar的汽化压力水平下从液化产物的至少一部分在固定床储冷单元内制备汽化产物，并且在做功膨胀期间传送加压流通过第一膨胀装置和第二膨胀装置，并且由此分别膨胀加压流，并且在第一膨胀装置的上游，将第一储热装置中储存的热输送到加压流，并且在第二膨胀装置的上游，将第二储热装置中储存的热输送到加压流。
这种设备有利地具有使其能够执行上文详细说明的方法的所有装置。因此，这种设备从对应方法的优点中获益，因此明确地参考该方法。
参考显示本发明优选实施方案的附图，更具体地说明本发明。
附图说明
图1A和1B显示在能量储存期和能量恢复期中的根据本发明的一个实施方案的设备。
图2显示在能量储存期中的根据本发明的一个实施方案的设备。
图3A和3B显示在能量储存期和能量恢复期中的根据本发明的一个实施方案的设备。
图4显示用于根据本发明的一个实施方案的设备的储热装置。
图5显示用于根据本发明的一个实施方案的设备的储热装置。
图6A和6B显示在能量储存期和能量恢复期中的根据本发明的一个实施方案的设备的储热装置。
图7A和7B显示根据本发明的实施方案的空调单元的冷却装置。
图8显示根据本发明的一个实施方案的空调单元的空气纯化装置。
图9显示根据本发明的一个实施方案的具有用于空调单元的再生气体预热装置的压缩机装置。
图10A和10B显示根据本发明的具体实施方案的用于空调单元的能量储存期和能量恢复期中的空气纯化装置。
图11A至11C显示根据本发明的实施方案的设备并且说明相关逆流换热器单元的细节。
实施方案
在图中，原则上彼此对应的元件、仪器、装置和流体流用相同的标记表示，并且为了整体清楚起见，不在所有情况下重新说明。
在图中显示大量的阀门，一些阀门连接用以允许通过流，并且一些阀门连接用以截止流。连接以截止流的阀门在图中打叉。被连接以截止流的阀门以及相应地停止装置所中断的流体流主要用虚线说明。处于气态或超临界状态的流用白色(未填充)的三角形箭头说明，液体流用黑色(填充)的三角形箭头说明。
在图1A和1B中，显示在能量储存期(图1A)和能量恢复期(图1B)的根据本发明的特别优选实施方案的设备，并且总体由100表示。
所述设备100包括作为中央部件的空调单元10、固定床储冷单元20、逆流换热器单元30、产冷单元40、液体储存单元50以及能量产生单元60。
在此以及下文中，所显示的一些或全部部件能够以任何期望的数目存在并且例如平行地供入相应的子流。
在图1A所示的能量储存期中，将空气流a(AIR，进料空气)供应到设备100，并且在空调单元10中压缩和纯化。已经被相应地压缩和纯化的特别是除去水和二氧化碳的流b处于例如40-100bara的压力水平，并且在下文中也称为高压空气流b。
在空调单元10中，在这种情况下，流a通过过滤器11被吸入并且借助于压缩机装置12被压缩，例如通过多级绝热运行的轴向压缩机。压缩空气在实施例给出的压缩机装置12的下游被分成两个子流，将每个子流供应给储热单元13的储热装置131与132。数次描述的储热装置131与132可以例如通过使用固定床储存介质和/或液体储热介质来运行，例如在随后的图4、5、6A和6B中所示。压缩机装置12中产生的压缩热或压缩机废热可以至少部分地储存在储热单元13或其储热装置131与132中。
在储热单元13的下游，将已经被压缩并传送通过储热单元13的流a供应给冷却装置14，并且随后供应给空气纯化装置15。相应的冷却装置14和空气纯化装置15的实例特别地在随后的图7A、7B和8中更具体地显示。为了运行或再生空气纯化装置15，可以将下文说明的再生气流k供应给它，并且从其中排出气流l。
在空气纯化装置15的下游，移除流a的空气的子流作为流j，流j处于例如5-20bara的(中间)压力水平。这种流j在下文中也称为中压空气流(MPAIR)。不作为中压空气流j排出的流a的空气在其它压缩机装置16中进一步压缩，例如等温运行的压缩机装置16。压缩机装置16也可以形成为多级轴向压缩机。后冷却装置17可以布置在压缩机装置16的下游。提供在压缩机装置16中压缩并在后冷却装置17中冷却的空气作为所述的高压空气流b。
正如已经提到的，通常仅在能量储存期中提供通过空调单元10的高压空气流b与中压空气流j。在该能量储存期内，能量产生单元60通常不运行。相反，在能量恢复期间，通常仅运行能量产生单元60，而不运行空调单元10。
在图1A中说明的设备100的能量储存期内，将高压空气流b分成第一子流c和第二子流d。不言而喻，在相应的设备中，也可以提供相应的高压空气流b被分成两股以上的子流。
在已经提到的高压空气流b的压力水平下，子流c和d(HPAIR)的空气一方面供应到固定床储冷单元20，另一方面供应到逆流换热器单元30，并且分别在固定床储冷单元20和逆流换热器单元30中液化。相应的液化的流e和f(HPLAIR)的空气被组合以形成集流g。流e、f和g的压力水平基本上对应于高压空气流b的压力水平，即除了管线损失和冷却损失之外的压力水平。
流g的液化空气，亦即空气液化产物，在产冷单元40内膨胀，所述产冷单元40例如可以包括发电机涡轮机41。例如，可以将膨胀的空气输送到分离器容器42中，液相在其下部中分离并且在其上部存在气相。
液相可以作为流h(LAIR)从分离器容器42排出并输送到液体储存单元50中，液体储存单元50可以例如包括一个或多个隔离的储罐。流h的压力水平例如是1-16bara。作为流i(flash)从分离器容器42的上部排出的气相可以与流f逆流地通过逆流换热器单元30传送，并且随后以已经提及的流k(LPAIR，reggas)的形式在空调单元10内用作再生气体。流k的压力水平例如是从大气压至大约2bara。在下游，相应的流l通常处于大气压力(amb)，并且可以例如排放到周围环境中。
在图1A说明的能量储存期间，储存在固定床储冷单元20中的冷量用于将子流c的空气液化。此外还提供逆流换热器单元30，在其中额外的空气，特别是子流d的空气，可以逆流地液化成例如冷流i，其可以从膨胀的并因此汽化的流g的空气获得。逆流换热器单元30的使用使得设备100的运行可以比仅使用固定床储冷单元20的情况更加灵活。此外，逆流换热器单元30提供已经提及的中压空气流j(MPAIR)。
在图1B说明的能量恢复期间，将预先在能量储存期内储存的液化空气(LAIR)，即空气液化产物，从液体储存单元50中移除，并且通过泵51增加压力。以这种方式获得的流m(HPLAIR)传送通过固定床储冷单元20，从而从液态汽化或转变成超临界状态(“汽化”)。因此形成汽化产物，由其完全形成流体流，如图所示，或者仅部分地形成流体流。在这种情况下，流m处于与已经说明的高压空气流b相当的压力水平。因此，通过在固定床储冷单元20中从液态汽化或转变成超临界状态而获得的加压流n也是高压空气流。
在图1B说明的能量恢复期间，首先在能量产生单元60中借助于在能量储存期中储存在储热单元13的第一储热装置131中的热来加热加压流n(参见图1A)，然后在第一膨胀装置61中膨胀，第一膨胀装置61在此形成作为发电机涡轮机。然后，在能量产生单元60中借助于在能量储存期中储存在储热单元13的第二储热装置132中的热量加热加压流n(参见图1A)，然后在第二膨胀装置62中膨胀，第二膨胀装置62在这里同样形成作为发电机涡轮机。相应地膨胀的流o例如处于大气压力(amb)并且可以排放到周围环境中。
在图1A和1B中所示的设备100中，冷却装置14和空气纯化装置15布置在压缩机装置16的上游以及储热装置13的下游。然而，类似地，可以将冷却装置14以及空气纯化装置15布置在压缩机装置16和后冷却装置17的下游，如图2所示。图2说明能量储存期中的相应设备，然而没有单独表示。因此，冷却装置14和空气纯化装置15在此布置在较高压力的区域中，并且因此可以制成较小的尺寸。此外，在图2所示的设备中，没有形成中压空气流j。
在图1A、1B和2所示的设备中，在能量储存期中提供再生气流k，其中空气纯化装置15必须同时产生纯化能力。因此，在相应的设备中，必定必须形成具有可交替运行的吸附剂容器的空气纯化装置15，亦如图8所说明的。另一方面，在能量恢复期间提供再生气流k，其中在任何情况下都不需要空气纯化装置15，使得可以仅使用一个吸附剂容器(参见图10A和10B)，并且因此以更简单和更低成本的形式设计和运行相应的设备。
正如可从图3A和3B一起看出的，在相应的设备中，再生气流k因此也可以在能量恢复期中形成(图3B)。为此，优选其作为高压流k提供，因为其从高压流n分支出来。在用于空气纯化装置15中之后，再生气流k可以作为流l与高压空气流n重新组合。由于能量产生单元60中主要存在的温度，含在空气纯化装置15下游的流l中的组分(例如水和二氧化碳)通常被证明是没有问题的。图3A和3B中所说明的变型具有的优点是压缩空气损失较少。
图4中显示用于根据本发明的一个实施方案的设备的储热装置。如在前文的附图中，储热装置在此由131和132表示。图4中所示的储热装置131与132形成为固定床储热装置131与132，并且具有固定床1形式的储存介质。固定床1布置在具有入口和出口连接器3的压力容器2中，并且以这种方式，由压缩机装置12压缩的空气可以流过它。压力容器2被绝热层4包围。
同样在图5中，说明用于根据本发明的一个实施方案的设备的储热装置，并且总体上由131和132表示。固定床储热介质可以在这里仅布置在示意性说明的容器5中，传热流体6流过它，并且传热流体6可以通过泵7传送。来自通过压缩机装置12压缩的流a的空气到传热流体6的热传递可以通过合适的换热器8进行。
与图4所示的储热装置131与132相比，图5所示的储热装置131与132因此包括向储热介质(未示出)的间接热传递。
在图6A和6B中，显示在能量储存期(图6A)和能量恢复期(图6B)中作为液体储热装置形成的储热装置131与132。
在图6A说明的能量储存期中，说明过多次的流a(在压缩机装置12中第一次压缩之后)在这种情况下与来自储罐72的冷的储热流体逆流地从传送通过换热器71。在这种情况下，来自储罐72的储热流体通过泵73传送通过换热器71，并且相应地被加热，输送进入另一储罐74中。
另一方面，在图6B中所说明的能量恢复期间，引导待加热的流(这里是高压空气流n)以与流a相反的方向通过换热器71，并且然后通过同样地以相反的方向传送的温热的储热介质被加热。
在图7A中，详细显示例如在上文图1A、1B、2、3A和3B中说明的用于空调单元10中的冷却装置14。冷却装置14可以布置在储热单元13的下游(参见图1A、1B和2)或后冷却装置17的下游(参见图3A和3B)。将相应的流(在此表示为r)供应到直接接触式冷却器141的下部区域中。流r对应于先前在压缩机装置12中压缩并且在储热单元13中冷却的流a。在直接接触式冷却器141的上部区域中，引入通过泵142传递通过(任选存在的)冷却装置143的水流(H2O)。水可以从直接接触式冷却器141的下部区域排出。相应冷却的流s从直接接触式冷却器141的头部排出，并且随后可以输送入空气纯化装置15(参见图1A、1B、2、3A和3B)。
作为变更，根据图7B中说明的冷却装置14的变型，不提供直接接触式冷却器141，而是提供换热器144。这种换热器144也可以用水流运行，所述水流通过泵142传送通过(任选存在的)冷却装置143。
在图8中，详细说明空气纯化装置15，其特别适合用于空调单元10内，例如图1A、1B和2中所示。例如来自冷却装置14的冷却的流s可以在此交替地传送通过两个吸附剂容器151，其包括例如分子筛。在这种情况下，流s对应于如上所述地处理过的流a。在吸附剂容器151中，特别是从流s中除去水和二氧化碳。相应获得的流t，例如在图2说明的实施方案的情况下可以对应于流b，被供应到分别布置在其下游的装置，例如下一个压缩机装置(参见图1A和1B)或固定床储冷单元20或逆流换热器单元30(参见图3)。
分别不用于纯化流s的吸附剂容器151可以通过已经描述的再生气流k再生。在这种情况下，再生气流k可以首先供应给任选存在的再生气体预热装置152，该装置在随后的图9的实施例中说明。在下游的再生气体加热装置153中，该装置可以例如用电和/或用热蒸汽运行，再生气流k被进一步加热并且被传送通过分别等待再生的吸附剂容器151。在那里待再生的吸附剂容器151的下游，存在相应的流l。如果在所示的时间不需要再生气体，这同样适用，因为在这种情况下，相应的流l直接从空气纯化装置15排出(参见图8上部中的流l)。
在图9中，特别说明根据本发明的一个实施方案的再生气体预热装置152的运行。再生气体预热装置152可以例如替代或补充后冷却装置17，并且因此被布置在空气压缩机装置16的下游。由于相应的压缩而被加热的空气流可以被传送通过再生气体预热装置152的换热器152a或穿过它，从而将热量传递到再生气流k。
图10A和10B中显示空气纯化装置15，其特别适用于图3A和3B中说明的本发明的实施方案以及其中所示的空调装置。在图10A和10B中，说明能量储存期(图10A)和能量恢复期(图10B)，在能量储存期中进行相应流s的纯化。由于相应的设备100在能量恢复期间不以流a的形式供应空气，因此空调装置10不运行，在这种时候(图10B)，相应的吸附剂容器151可用于再生。因此，图10A和10B说明的实施方案具有特别的优点：仅需要提供一个相应的吸附剂容器151，而不是根据图8交替地运行的两个。
在此，再生气流k也可以在任选存在的再生气体预热装置(未示出)中预热，并且在再生气体加热装置153中加热。再生气体加热装置153还可以特别地借助储存在储热单元13(未示出)中的热来运行。
在图10B所说明的能量恢复期间，相应地加热的再生气体因此被传送通过吸附剂容器151；在能量储存期(图10A)，该再生气体容器151可用于纯化流s。
图11A至11C说明在各种情况下在能量储存期中的根据本发明的优选实施方案的设备。该设备就固定床储冷单元20、产冷单元40、液体储存单元50与能量产生单元60而言基本上与上文说明的实施方案对应，但是特别是就逆流换热器单元30而言不同，因此在下文进行说明。
根据图11A说明的实施方案，逆流换热器单元30可以例如借助于流u来运行，所述流u通过逆流换热器单元30的一个或多个换热器31从冷端被传送到热端。
为了提供流u，可以例如进行借助于专用压缩机(即，除了空调单元10之外提供的压缩机)运行的单独的液化工艺32。
在另一方面，在图11B所示的实施方案中，其基本上与图1A和1B所示的实施方案相对应，可以将中压空气流j供应给逆流换热器单元10，并且供应给在热端的换热器31。可以在中间温度下从换热器31移除流j，并在发电机涡轮机33中膨胀。可以类似地在中间温度下从换热器131移除高压空气流b的另一子流或其子流d，并且在另一发电机涡轮机34中膨胀。所述流可以组合并通过发电机涡轮机33一起传送。通过膨胀释放的冷量用于流c的液化(参见图1A和1B)，因为相应的流在冷侧上与已经说明的流i一起供应到换热器31。
在图11C所示的变型中，在冷侧将流i供应给逆流换热器单元30的换热器31，在中间温度下移除，与中压空气流j结合，所述中压空气流j类似地通过换热器31传送升温至中间温度，然后在发电机涡轮机33中膨胀。之前，相应的空气可以与流c的子流组合，如已经在图11B所示。
图11B和11C所示的实施方案特别适合在不同压力水平下使用流i。

Claims (12)

1.用于储存和恢复能量的方法，其中在能量储存期间形成空气液化产物(LAIR)，并且在能量恢复期间，通过使用至少部分空气液化产物(LAIR)形成加压流并且膨胀做功，而无需来自外部热源的热量供应，所述方法包括：
为形成空气液化产物(LAIR)，
-在空调单元(10)中至少通过绝热运行的压缩机装置(12)在超大气压力水平下将空气压缩(AIR)，并且通过至少一个吸附纯化装置(15)将空气吸附纯化，
-在所述绝热运行的压缩机装置(12)下游的空调单元(10)中，从该压缩机装置中压缩的空气(AIR)形成第一子流和第二子流，并且将所述第一子流和第二子流平行传送通过第一储热装置(131)和第二储热装置(132)，
-将在空气压缩(AIR)期间产生的热量至少部分地储存在第一储热装置(131)和第二储热装置(132)中，
-在固定床储冷单元(20)的第一部分中以及在逆流换热器单元(30)的第二部分中，在40-100bara范围内的液化压力水平下，从0-50℃范围内的温度水平开始，将压缩并吸附纯化的空气液化(HPAIR)，并且
-然后，在至少一个产冷单元(40)中将液化空气(HPLAIR)膨胀，
并且，为了形成加压流，
-在固定床储冷单元(20)中，在与液化压力水平相差不超过5bar的汽化压力水平下，从至少部分液化产物(LAIR)制备汽化产物(HPAIR)，
并且
-在做功膨胀期间将加压流传送通过第一膨胀装置(61)和第二膨胀装置(62)，并且从而分别将所述加压流膨胀，并且
-在第一膨胀装置(61)的上游，将储存在第一储热装置(131)中的热量传递给加压流，并且在第二膨胀装置(62)的上游，将储存在第二储热装置(132)中的热量传递给加压流。
2.如权利要求1所述的方法，其包括在储热装置(131、132)中的至少一个中使用固定床储热介质(1)和/或液体储热介质。
3.如权利要求1或2所述的方法，其包括在至少一个储热装置(131、132)中的至少两个储罐(72、74)之间输送储热流体，并且向或从至少一个换热器(71)中的至少一种储热流体传递热量。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其包括将至少一个储热装置(131、132)中的储热介质加热至50-400℃的温度水平。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中发电机涡轮机分别用作所述第一膨胀装置(61)和所述第二膨胀装置(62)。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其包括向至少一个吸附纯化装置(15)供应再生气体，所述再生气体由在空调单元(10)中预先压缩并吸附纯化的空气(HPAIR)的一部分形成。
7.如权利要求6所述的方法，其包括在所述能量储存期间从在液化空气(HPLAIR)膨胀期间形成的汽化产物的至少一部分形成所述再生气体。
8.如权利要求6所述的方法，其包括在所述能量恢复期间从汽化产物(HPAIR)的至少一部分形成所述再生气体。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其包括将在液化空气(HPLAIR)膨胀期间形成的汽化产物传送通过所述逆流换热器单元(30)。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其包括将借助于外部冷回路提供的和/或通过从在空调单元(10)中预先压缩并吸附纯化的空气(AIR)的一部分膨胀而形成的至少一种冷传递介质传送通过所述逆流换热器单元(30)。
11.设备(100)，所述设备被设计用于储存和恢复能量，通过在能量储存期中形成空气液化产物(LAIR)，并且通过在能量恢复期间使用至少部分空气液化产物(LAIR)而无需来自外部热源的热量供应来形成加压流并且膨胀做功，所述设备(100)具有被设计用于如下的装置：
为了形成空气液化产物(LAIR)，
-在空调单元(10)中至少通过绝热运行的压缩机装置(12)在超大气压力水平下将空气压缩(AIR)，并且通过至少一个吸附纯化装置(15)将空气吸附纯化，
-在所述绝热运行的压缩机装置(12)下游的空调单元(10)中，从在该压缩机中压缩的空气(AIR)形成第一子流和第二子流，并且将所述第一子流和第二子流平行传送通过第一储热装置(131)和第二储热装置(132)，
-将在空气压缩(AIR)期间产生的热量至少部分地储存在第一储热装置(131)和第二储热装置(132)中，
-在固定床储冷单元(20)的第一部分中以及在逆流换热器单元(30)的第二部分中，在40-100bara范围内的液化压力水平下，从0-50℃范围内的温度水平开始，将压缩并吸附纯化的空气液化(HPAIR)，
-然后，在至少一个产冷单元(40)中将液化空气膨胀(HPLAIR)，
并且，为了形成加压流，
-在固定床储冷单元(20)中，在与液化压力水平相差不超过5bar的汽化压力水平下，从至少部分液化产物(LAIR)制备汽化产物(HPAIR)，并且
-在做功膨胀期间将加压流传送通过第一膨胀装置(61)和第二膨胀装置(62)，并且从而分别将所述加压流膨胀，并且
-在第一膨胀装置(61)的上游，将储存在第一储热装置(131)中的热量传递给加压流，并且在第二膨胀装置(62)的上游，将储存在第二储热装置(132)中的热量传递给加压流。
12.如权利要求11所述的设备(100)，其具有设计用于执行如权利要求1-10中任一项所述的方法的装置。
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